바이오 메디컬 응용 프로그램에 대한 Bioinspired 나노 수산화 인회석의 빠른 혼합 준비
Summary
이 논문은 높은 품질의 bioinspired 나노 하이드 록시 아파타이트의 빠른 제조를위한 새로운 방법을 설명합니다. 이 생체 재료는 정형 외과, 두개 안면 수술과 치과 임상 애플리케이션을위한 혁신적인 의료 기기의 넓은 범위의 제조에 큰 의미이다.
Abstract
하이드 록시 아파타이트 (HA)은 널리 인해 좋은 생체 적합성 및 osteoconductivity에 의료 세라믹으로 사용되어왔다. 최근 bioinspired 나노 수산화 인회석 (NHA)의 사용에 대한 관심이되고있다. 그러나 생물학적 인회석은 칼슘 결핍 및 탄산 치환 나노 혈소판과 같은 형태로 알려져있다. Bioinspired NHA 인해 뼈와 치아 에나멜 광물과의 유사성에 최적의 뼈 조직 재생을 자극 할 가능성이있다. 방법의 대부분은 현재 실험실에서 상업적으로 모두 트를 제조 긴 프로세스 및 복잡한 장비를 포함하는 데 사용됩니다. 따라서, 본 연구의 목적은 고품질 bioinspired 트를 제조하기위한 신속하고 신뢰성있는 방법을 개발 하였다. 개발의 급속한 혼합 방법은 수산화칼슘 및 인산을 포함하는 산 – 염기 반응에 기초 하였다. 요약하면, 인산 용액을 교반하고 세정 한 다음 수산화칼슘 용액에 붓고건조 단계. 배치의 부분은 제품의 고온 안정성을 조사하기 위해 2 시간 동안 1000 ℃에서 소결 하였다. X 선 회절 분석 칼슘 결핍 HA에 대한 전형적인 고온 처리 후 인산 삼 β하는 열분해 하였다 HA의 성공적인 형성을 보였다. 적외 분광 푸리에 변환은 침전 생성물 카보네이트 기의 존재를 나타내었다. 트 입자 생물학적 아파타이트의 치수에 가까운 50 X 30 nm의 대략적인 치수와 낮은 종횡비를 가지고 있었다. 생물학적 아파타이트 같이 1.67의 화학 양론 HA 비보다 낮은 1.63 P 몰비, 상기 재료는 또한 칼슘 결핍, 칼슘이었다. 이 새로운 방법에 따라서 적정 길고 복잡한 장비에 대한 필요성을 극복 bioinspired 트의 제조를위한 안정적이고 훨씬 더 편리한 방법이다. 얻어진 bioinspired HA 제품의 다양한 곳에서의 사용에 적합의료 및 소비자 건강 응용 프로그램.
Introduction
위해서는 환자의 삶의 질 향상과 글로벌 노화 인구의 의료 부담을 줄일 수있는 향상된 기능이 향상된 생체 재료에 대한 다양한 임상 적 필요성이 존재한다. 하이드 록시 널리 인해 좋은 생체 적합성에 몇 년 동안 의료 분야에서 사용되어왔다. 최근, 특히 의학 및 치과 광물 조직 재생을 위해, 나노 하이드 록시 아파타이트의 사용 (NHA)에 대한 관심이 높아지고있다. 뼈와 치아 에나멜에있는 미네랄은 칼슘 결핍 다중 치환 나노 하이드 록시 아파타이트이다. 생물학적 트 혈소판의 크기에 대한 견적은 미성숙 골 2에 기재된 더 작은 구조로, 50 나노 미터 X 30 나노 미터 × 2 nm의 1의 크기를보고합니다. 이에 대해서, 치아 에나멜의 미네랄은 길이 및 폭 3, 4 모두에서 뼈 조직에서 발견되는 것보다 10 내지 100 배 더 크다. 합성 NHA 우리는 향상된 성능과 의료 기술로 천연 소재의 특성에 대한 관측을 번역하고자하는 한, 더 나은 bioinspired라고하기보다는 생체 모방 수 있습니다. 자연 미네랄 5 발생하는 bioinspired 냐 인해 그 유사성에 뼈와 치아 조직 재생 응용 프로그램에 더 유리한 될 수 있음을 제안하고있다.
6 열수, 스프레이 건조 (7) 및 졸 – 겔 기술을 포함 8 트를 제조하는 것으로보고 된 여러 가지 방법이있다. 이들 중, 습식 침전 법은 트의 제조를위한 비교적 간편한 방법으로 간주된다. 칼슘 및 인 화학 전구체 9, 10, 11를 혼합 할 때 문서 트 습식 침전 법은 일반적으로 적정 단계를 포함REF "> 12, 13, 14. 그러나, 이러한 방법은 고가의 장비를 필요로 일부 경우에서 결합 길고 복잡한 공정을 포함한 다수의 단점과 연관된다. 상업 생산 특허 정교한 반응기를 설명으로 더욱 복잡 할 수있다 고품질 의료용 트 (15)의 제조. 그럼에도 불구하고, 수산화 칼슘 및 인산과의 중화 반응에 의한 부산물의 유해 화학 물질의 부족으로 유리하다.
처리 조건 및 트 제품의 형태의 관계는 느린 적정 반응에보고되었다. 구체적으로는, 수산화 칼슘 및 인산을 포함하는 적정 방법에 대해, 높은 온도는 낮은 종횡비 13 입자의 제조를 유리하게 나타났다. 이 작품은 세대에 의해 상당히 확장되었다타일 등. 방법 폭넓게 트 제품의 품질에 다른 온도와 처리 조건의 관계를 보여 주었다 (16). 그는 Prakash는 13의 습식 화학적 침전 법은 최고 품질의 제품을 제조 결론 있지만 결과가 기술적으로 어렵고 / 저속 혼합 과정에 의존했다 주목해야한다. 원래 프라 카쉬 적정 단계 한 시간 이상 소요됩니다. 그러나 더 이상 적정 시간은 더 큰 배치가 준비하는 필요할 수 있습니다.
온도 등 여러 가지 요인의 영향이 현재 복잡도를 감소에 거의 관심이 전달되어, 광범위하게 연구하고 적정 기반의 방법을 수행하는데 필요한 시간을 관련되었지만, 요약한다. 이 연구의 목적은 bioinspired 트의 제조시에 급속 혼합 방식을 적용하는 효과를 조사하기 때문에, 그리고 완전히 characteri결과 자료를 '제. 성공하면, 단순화 된 빠른 혼합 방식은 제조 비용이 실질적으로 품질을 포함하지 않고 줄일 수 모두 실험실 연구 및 산업에 대한 큰 혜택을해야합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
천연 인회석 칼슘 10 XY 대략 화학식 [(HPO 4) (PO 4) 6- X (CO 3) Y (OH) 2-X로 비 화학량 탄산 수산화 인회석의 나노 입자로 구성된다. 가까운 화학적 유사성과 생체 물질의 생산은 천연 미네랄이 최적의 생물학적 반응을 촉진하는 것으로보고되었습니다합니다. 예를 들어, 생체 모방 칼슘 결핍 탄산 트 연구는 종래 트 (19)보다 더 큰 정도로 증식 및 뮤린 preosteoblast 세포의 알카리 포스파타제 활성을 자극 할 수있다 보여 주었다.
이 연구에서 1000 ° C (도 2)의 부분에서 열분해 하였다 HA의 침전 칼슘 결핍 HA의 형성을 제안 하였다. T합니다 (XRF 데이터로 얻어진 P 비 (1.63) : 이것은 화학량 칼슘 미만으로 지원수 1). P 비가 낮은 열 안정성을 20, 21, 22, 23과 연관되어이를 감소 칼슘는 것을 알 수있다. 이 방법에서는, 인산 용액의 급속한 또한 빠르게 반응 현탁액의 pH HPO 4 이온을 발생하는 낮췄다. HPO의 존재는 4 그룹 분자식과 칼슘 결핍 HA의 석출을 촉진 : 칼슘 10 × (HPO 4) × (PO 4) 6-X (OH) 2-X, 여기서, 0 <x <1.
인산의 빠른 첨가 따라서 반응 석출 반응 속도에 현저한 영향을 미쳤다. 전술 한 바와 같이, 실온에서 실시 수산화칼슘 및 인산을 포함하는 적정 반응은 높은 종횡비 (13) 입자를 수득하는 경향이 있었다. titratio에 대한N이 반응물을 포함하는 반응은, 그 생물학적 아파타이트 (13)에 더 유사하다 낮은 종횡비 입자를 제조하기 위해 높은 온도를 사용할 필요가 있었다. 결정 핵 생성 속도가 결정 성장 속도 (24)보다 느린 경우에 높은 종횡비의 입자가 제조된다. 본 연구에서 개발 된 새로운 방법의 경우, 인산 용액의 신속한 첨가 큰 종횡비 적은 입자 반대로 작은 둥근 입자의 증가 존재 초래 핵 생성 사이트의 더 많은 수를 제공하고있다. 저자 충분히 천천히 일관된 결과를 달성하기 위해, 수산화칼슘 현탁액에 인산을 주입의 효과를 조사되지 않아 우리는 인산이 비디오 (약 100 ㎖ /에 도시 된 상응 속도 붓고 권장 에스).
이 방법을 개발하는 동안, 저자 INV을Prakash는 외에 기초하여 트의 제조 방법에 증분 변경들을 estigated. 느린 적정 및 인산 용액 (25)의 신속한 첨가하여 제조 된 제품의 비교를 포함한 13. 이것은 수산화칼슘 현탁액 인산 느린 적정 수산화칼슘 잔기로 제품 결과 발견 하였다. 우리는 인산의 빠른 첨가에 의해 야기되는 pH 변화가 수산화칼슘 용해를 권장하므로 하이드 록시 아파타이트로 반응물의 전환이 허용되는 것을 제안한다. 제품 비교 룸과 고온 (60 °의 C)에서의 신속한 혼합 방법을 사용하여 제조 된 반응 종료 후 상승 된 온도가 높은 전도도 결과하였습니다. 이것은 잔류 수산화칼슘 인해 수산화칼슘 낮은 용해도로 될 가능성이었다 존재 제안증가 온도. 이 화합물의 기본적인 성질은 생체 적합성을 손상시킬 수 있으므로 잔류 수산화칼슘의 존재는 바람직하지이었다.
FTIR은 HA (그림 3)과 관련된 특성 인산염 및 수산기 활동을 감지했습니다. 이 소결 제품에 대한 스펙트럼이 선명 인산염과 히드 록실 피크를 보여 주목했다. 이러한 변경 사항은 더 큰 제품 결정 (26), 탄산 이온 인산염 그룹을 대체 한 B 형 탄산 교체의 증거를 제공하는 27 국지적 인 소결 스펙트럼과 관련되어있다. 이 탄산 이온이 수산기 (17)를 대체 할 수있는 타입의 교체와 대조적이다. B 형 탄산 교체 생물학적 인회석 3에서 발생하는 것으로보고되었다. 그러나 Tampieri 등. 반면 B 형 교체를 predomin 것을보고개미는 젊은 뼈, A-형 탄산 치환은 오래된 개인 (28)의 뼈에서 점점 존재. 탄산 교체는 용해도가 증가하는 동안 트의 결정 및 열적 안정성을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 변경 카보네이트 치환 HA (29)의 증가 된 생체 활성에 기여하는 것이 제안되었다. 생물학적 HA는 마그네슘, 나트륨 및 스트론튬 30와 XRF 분석 (표 1)에 기록되어있는 다른 요소들을 포함하는 것으로 알려져있다. 이들 원소의 존재는 또한 생물학적 효능 증가에 기여할 수있다. 향후 연구는 실버 도핑 트 (31)로 증가 biofunctionality으로도 제품이 나노 치환 아파타이트의 제조에 감독되어야한다. 치환 트를 제조하기 위해서는, 소자 SUBSTITUT하도록 의도 된 소자의 대응 감소로 도입 될 수있다위한 즉, 예를 들면 스트론튬, 마그네슘, 아연, 교체 32 시도되는 칼슘 화합물의 양을 감소시킨다. 대안 적으로, 또 다른 방법은 반드시 HA 결정 격자 (31)에 요소를 대체 할 의도없이 트의 표면에 존재하는 "도핑"이온을 제공 할 목적으로 구성 요소를 추가 할 수있다. 상기 방법에 대한 이러한 수정 것이 수산화칼슘 및 질산은 등의 혼합 용액을 제조하고, 여기에 상술 한 방법과 동일한 방법으로 반응을 수행 할 수있다.
결론적으로, 본 논문은 bioinspired 트의 제조를위한 새로운 신속하고 실질적으로 개선 된 방법을보고합니다. 이 방법의 경우, 화학 물질의 급속한 혼합 반응이 일반적으로 신중하게 모니터링의 시간을 필요로하는 적정에 비해 시간의 현저한 감소 미만 5 초 걸립니다. 그것은 biomat에 사용하기위한 큰 잠재력을 가지고erial 발전으로 인해 상대적인 단순성과 고유 오랜 연구 개발 시간의 현재 상용 시스템 결과의 복잡성, 실질적으로 제조 비용을 증가 현재 사용되는 산업용 트의 제조 방법에 비해 저렴한 비용이다. 특히,이 새로운 방법은 연속적인 흐름 공정거나 상당히 낮은 시동 설비 투자 요구 때문에 수열 기술보다 우수하다.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 Ceramisys 회사와 협력에 EPSRC 사례 재학 의해 지원되었다 또한 의료 기기 [허가 번호 EP / K029592 / 1]에서 혁신적인 제조 메데스 혁신의 EPSRC 센터와 연결되어 있습니다. 저자는 XRF 분석을 위해 셰필드 할람 대학교에서 로버트 버튼에게 감사의 말씀을 전합니다.
Materials
| Calcium hydroxide (purity of ≥ 96%) | Sigma Aldrich UK | 31219 | Good laboratory practise should be used at all times including the use of appropriate personal protective equipment. |
| Phosphoric acid (85 %) | Sigma Aldrich UK | 345245 | Safety goggles and a faceshield should be used when handling this product (see safety data sheet from Sigma Aldrich for further information). |
| STOE IP x-ray diffractometer | Phillips | ||
| International centre for diffraction data (ICDD) PDF4+ database | International Centre for Diffraction Data | ||
| Holey carbon films on 300 mesh grids | Agar Scientific | S147-3H | |
| Tecnai G2 Spirit transmission electron microscope | FEI | ||
| Lithium tetraborate | ICPH, Malzéville, France | ||
| PW2440 XRF spectrometer | Philips | ||
| ThermoScientific Nikolett Spectrometer | Unicam Ltd | ||
Riferimenti
- Pasteris, J. D., Wopenka, B., Valsami-Jones, E. Bone and tooth mineralization: why apatite?. Elements. 4 (2), 97-104 (2008).
- Carter, D. H., Hatton, P. V., Aaron, J. E. The ultrastructure of slam-frozen bone mineral. Histochem. J. 29 (10), 783-793 (1997).
- Wopenka, B., Pasteris, J. D. A mineralogical perspective on the apatite in bone. Mater. Sci. Eng. 25 (2), 131-143 (2005).
- Boskey, A. L. Mineralization of bones and teeth. Elements. 3 (6), 385-391 (2007).
- Fox, K., Tran, P. A., Nhiem, T. Recent Advances in Research Applications of Nanophase Hydroxyapatite. ChemPhysChem. 13 (10), 2495-2506 (2012).
- Neira, I. S., et al. An Effective Morphology Control of Hydroxyapatite Crystals via Hydrothermal Synthesis. Cryst. Growth. Des. 9 (1), 466-474 (2009).
- Luo, P., Nieh, T. G. Synthesis of ultrafine hydroxyapatite particles by a spray dry method. Mater. Sci. Eng. C. 3 (2), 75-78 (1995).
- Wang, F., Li, M. S., Lu, Y. P., Qi, Y. X. A simple sol-gel technique for preparing hydroxyapatite nanopowders. Mater. Lett. 59 (8-9), 916-919 (2005).
- Cai, Y., et al. Role of hydroxyapatite nanoparticle size in bone cell proliferation. J. Mater. Chem. 17 (36), 3780-3787 (2007).
- Catros, S., et al. Physico-chemical and biological properties of a nano-hydroxyapatite powder synthesized at room temperature. IRBM. 31 (4), 226-233 (2010).
- Kumar, R., Prakash, K. H., Cheang, P., Khor, K. A. Temperature driven morphological changes of chemically precipitated hydroxyapatite nanoparticles. Langmuir. 20 (13), 5196-5200 (2004).
- Liu, H., Yazici, H., Ergun, C., Webster, T. J., Bermek, H. An in vitro evaluation of the Ca/P ratio for the cytocompatibility of nano-to-micron particulate calcium phosphates for bone regeneration. Acta. Biomater. 4 (5), 1472-1479 (2008).
- Prakash, K. H., Kumar, R., Ooi, C. P., Cheang, P., Khor, K. A. Apparent solubility of hydroxyapatite in aqueous medium and its influence on the morphology of nanocrystallites with precipitation temperature. Langmuir. 22 (26), 11002-11008 (2006).
- Bianco, A., Cacciotti, I., Lombardi, M., Montanaro, L., Gusmano, G. Thermal stability and sintering behaviour of hydroxyapatite nanopowders. J. Therm. Anal. Calorim. 88 (1), 237-243 (2007).
- Brito Lopes, J. C., et al. Production method for calcium phosphate nano-particles with high purity and their use. WO2008/007992A2. , (2008).
- Gentile, P., Wilcock, C. J., Miller, C. A., Moorehead, R., Hatton, P. V. Process optimisation to control the physico-chemical characteristics of biomimetic nanoscale hydroxyapatites prepared using wet chemical precipitation. Materials. 8 (5), 2297-2310 (2015).
- Gibson, I. R., Bonfield, W. Novel synthesis and characterization of an AB-type carbonate-substituted hydroxyapatite. J. Biomed. Mater. Res. 59 (4), 697-708 (2002).
- Koutsopoulos, S. Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: a review study on the analytical methods. J. Biomed. Mater. Res. 62 (4), 600-612 (2002).
- Deng, Y., Sun, Y., Chen, X., Zhu, P., Wei, S. Biomimetic synthesis and biocompatibility evaluation of carbonated apatites template-mediated by heparin. Mater. Sci. Eng. C.-Mater. Biol. Appl. 33 (5), 2905-2913 (2013).
- Gibson, I. R., Rehman, I., Best, S. M., Bonfield, W. Characterization of the transformation from calcium-deficient apatite to beta-tricalcium phosphate. J. Mater. Sci.-Mater. M. 11 (9), 533-539 (2000).
- Siddharthan, A., Seshadri, S. K., Kumar, T. S. S. Microwave accelerated synthesis of nanosized calcium deficient hydroxyapatite. J. Mater. Sci.-Mater. M. 15 (12), 1279-1284 (2004).
- Yubao, L., Klein, C., Dewijn, J., Vandemeer, S., Degroot, K. Shape change and phase-transition of needle-like nonstoichiometric apatite crystals. J. Mater. Sci.-Mater. M. 5 (5), 263-268 (1994).
- Prieto Valdes, J. J., Ortiz Lopez, J., Rueda Morales, G., Pacheco Malagon, G., Prieto Gortcheva, V. Fibrous growth of tricalcium phosphate ceramics. J. Mater. Sci.-Mater. M. 8 (5), 297-301 (1997).
- Bouyer, E., Gitzhofer, F., Boulos, M. I. Morphological study of hydroxyapatite nanocrystal suspension. J. Mater. Sci.-Mater. M. 11 (8), 523-531 (2000).
- Wilcock, C. J. . The development of nanostructured calcium phosphate biomaterials for bone tissue regeneration PhD thesis. , (2015).
- Khalid, M., et al. Effect of surfactant and heat treatment on morphology, surface area and crystallinity in hydroxyapatite nanocrystals. Ceram. Int. 39 (1), 39-50 (2013).
- Reyes-Gasga, J., et al. XRD and FTIR crystallinity indices in sound human tooth enamel and synthetic hydroxyapatite. Mater. Sci. Eng. C.-Mater. Biol. Appl. 33 (8), 4568-4574 (2013).
- Tampieri, A., Celotti, G., Landi, E. From biomimetic apatites to biologically inspired composites. Anal. Bioanal. Chem. 381 (3), 568-576 (2005).
- Boanini, E., Gazzano, M., Bigi, A. Ionic substitutions in calcium phosphates synthesized at low temperature. Acta. Biomater. 6 (6), 1882-1894 (2010).
- Elliott, J. C. . Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. , 260 (1994).
- Wilcock, C. J., et al. Preparation and Antibacterial Properties of Silver-doped Nanoscale Hydroxyapatite Pastes for Bone Repair and Augmentation. J. Biomed. Nanotechnol. , (2017).
- Cox, S. C., Jamshidi, P., Grover, L. M., Mallick, K. K. Preparation and characterisation of nanophase Sr, Mg, and Zn substituted hydroxyapatite by aqueous precipitation. Mater. Sci. Eng. C. 35, 106-114 (2014).
